För några år, ett team av forskare vid University of Texas i Dallas har undersökt olika material på jakt efter dem vars elektriska egenskaper kan göra dem lämpliga för små, energieffektiva transistorer för att driva nästa generations elektroniska enheter.

De hittade nyligen ett sådant material, men det var inget som någon förväntade sig.

I en artikel publicerad online 10 mars i tidskriften Avancerade material , Dr. Moon Kim och hans kollegor beskriver ett material som, vid uppvärmning till cirka 450 grader Celsius, förvandlas från en atomär tunn, tvådimensionell plåt till en uppsättning endimensionella nanotrådar, var och en bara några få atomer breda.

En bild som fångas mitt i transformationen ser ut som en liten USA-flagga, och med falska färger tillagda, är utan tvekan världens minsta bild av Old Glory, Sa Kim.

"Fasövergången vi observerade, denna nya struktur, var inte förutsagt av teori, sa Kim, Louis Beecherl Jr. Distinguished Professor of material science and engineering vid UT Dallas.

Eftersom nanotrådarna är halvledare, de kan användas som växlingsenheter, precis som kisel används i dagens transistorer för att slå på och stänga av elektrisk ström i elektroniska enheter.

"Dessa nanotrådar är ungefär 10 gånger mindre än de minsta silikontrådarna, och, om det används i framtida teknik, skulle resultera i kraftfulla energieffektiva enheter, " sa Kim. Huvudförfattarna till studien är Hui Zhu och Qingxiao Wang, doktorander i materialvetenskap och teknik vid Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science.

Bara en fas?

När vissa material utsätts för förändringar i yttre förhållanden, såsom temperatur eller tryck, de kan genomgå en fasövergång. Ett välbekant exempel är när flytande vatten kyls för att bilda ett fast ämne (is), eller upphettas för att bilda en gas (ånga).

För många material, dock, en fasövergång betyder något lite annorlunda. När yttre temperatur och tryck förändras, dessa material atomer omarrangeras och omfördelas för att skapa ett material med en annan struktur och sammansättning. Dessa förändringar kan påverka det nya materialets egenskaper, till exempel hur elektroner rör sig genom den. För forskare som är intresserade av nya applikationer för material, förståelse för sådana övergångar är av största vikt.

I de flesta fallen, en typ av grafik som kallas ett fasdiagram hjälper forskare att förutsäga strukturella och egenskapsförändringar i ett material när det genomgår en fasövergång.

Men ingenting förutsade vad Kims team observerade när det utförde experiment på ett material som kallas molybden ditellurid.

Nanoflags och Nanoflowers

Med hjälp av ett transmissionselektronmikroskop, forskarna började med atomtunt, tvådimensionella ark av molybden ditellurid, ett material som består av ett lager av molybdenatomer och två lager av telluratomer. Materialet tillhör en klass som kallas övergångsmetalldikalkogenider (TMDs), som visar lovande när det gäller att ersätta kisel i transistorer.

"Vi ville förstå den termiska stabiliteten hos detta speciella material, " sa Kim. "Vi trodde att det var en bra kandidat för nästa generations nanoelektronik. Av nyfikenhet, vi bestämde oss för att se om det skulle vara stabilt över rumstemperatur. "

När de ökade temperaturen till över 450 grader Celsius, två saker hände.

"Först, vi såg ett nytt mönster börja dyka upp som var estetiskt tilltalande för ögat, " sa Kim. Över provets yta, de återkommande raderna, eller ränder, av molybdenditelluridlager började förvandlas till former som såg ut som små sexuddiga stjärnor, eller blommor med sex kronblad.

Materialet övergick till hexa-molybden hexa-tellurid, en endimensionell trådliknande struktur. Tvärsnittet av det nya materialet är en struktur som består av sex centrala atomer av molybden omgivna av sex telluratomer.

När fasövergången fortskred, en del av provet var fortfarande "ränder" och en del hade blivit "stjärnor". Teamet tyckte att mönstret såg ut som en USA-flagga. De gjorde en falsk färgversion med ett blått fält bakom stjärnorna och hälften av ränderna färgade röda, att göra ett "nanoflag".

Inte i läroböckerna

"Sedan, när vi undersökte materialet närmare, vi fann att övergången vi såg från "ränder" till "stjärnor" inte fanns i något av fasdiagrammen, " sa Kim. "Normalt, när du värmer upp specifika material, du förväntar dig att se en annan typ av material dyka upp som förutsägs av ett fasdiagram. Men i det här fallet, något ovanligt hände - det bildade en helt ny fas."

Varje enskild nanotråd är en halvledare, vilket innebär att elektrisk ström som rör sig genom ledningen kan slås på och av, Sa Kim. När många av de individuella nanotrådarna är grupperade i bulk beter sig de mer som en metall, som lätt leder ström.

"Vi skulle vilja använda nanotrådarna en i taget eftersom vi pressar storleken på en transistor så liten som möjligt, " sa Kim. "För närvarande, den minsta transistorstorleken är cirka 10 gånger större än vår nanotråd. Var och en av våra är mindre än 1 nanometer i diameter, som i huvudsak är en tråd i atomskala.

"Innan vi kan använda denna upptäckt för att göra en verklig enhet, vi har många fler studier att göra, inklusive att bestämma hur man separerar de enskilda nanotrådarna, och övervinna tekniska utmaningar för tillverkning och massproduktion, " sa Kim. "Men det här är en början."